KR102626330B1 - 동축 노즐과 탈축 노즐이 일체로 구비된 일체형 레이저 가공 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

동축 노즐과 탈축 노즐이 일체로 구비된 일체형 레이저 가공 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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KR102626330B1 KR1020230019854A KR20230019854A KR102626330B1 KR 102626330 B1 KR102626330 B1 KR 102626330B1 KR 1020230019854 A KR1020230019854 A KR 1020230019854A KR 20230019854 A KR20230019854 A KR 20230019854A KR 102626330 B1 KR102626330 B1 KR 102626330B1
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Abstract

본 발명은 동축 노즐과 탈축 노즐을 일체로 구비하고, 가공 대상물의 가공 중 온도와 두께 및 재질에 따라 동축 노즐과 탈축 노즐을 선택적으로 제어하여 레이저 가공 중에 발생되는 슬래그 방지 및 범용적으로 사용 가능한 동축 노즐과 탈축 노즐이 일체로 구비된 일체형 레이저 가공 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

Description

동축 노즐과 탈축 노즐이 일체로 구비된 일체형 레이저 가공 장치 및 그 제어 방법{All-in-one laser processing device having coaxial nozzle and off-axis nozzle integrally and method for controlling the same}
본 발명은 동축 노즐과 탈축 노즐을 일체로 구비하고, 가공 대상물의 가공 중 온도와 두께 및 재질에 따라 동축 노즐과 탈축 노즐을 선택적으로 제어하여 레이저 가공 중에 발생되는 슬래그 방지 및 범용적으로 사용 가능한 동축 노즐과 탈축 노즐이 일체로 구비된 일체형 레이저 가공 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
최근 레이저 가공 과정에서 가공 대상물에 슬러그가 잔류되지 않게하는 연구가 많이 진행되고 있으며, 그 중에서 보조 가스의 토출 압력과 입사각에 대한 연구가 진행되었다. 그 연구 결과를 살펴보면, 보조 가스는 절단면에 경사진 방향에서 입사되고, 토출 압력이 높고, 보조 가스의 접촉 면적이 좁을 수록 절단면의 슬러그가 발생되지 않는 것으로 결론이 내려졌다.
하지만, 기존의 보조 가스는 외부로 확산되어 보다 많은 면적에 보조 가스를 접촉시키는 방식으로 진행되고 있어 위와 같은 연구 결과와 상당한 차이점을 두고 있다.
즉, 종래에는 레이저를 출력하는 레이저 헤드에 일체로 구성된 보조 가스 노즐에 의해 보다 많은 면적을 냉각하기 위한 목적으로 설치된 것임에 따라 가공 대상물의 절단면에 슬러그가 완전히 제거되지 못하는 문제점이 있다.
KR 10-2017-0115897 A(2017.10.18) KR 10-2279676 B1(2021.07.14)
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 동축 노즐과 탈축 노즐을 일체로 구비하고, 가공 대상물의 가공 중 온도와 두께 및 재질에 따라 동축 노즐과 탈축 노즐을 선택적으로 제어할 수 있는 동축 노즐과 탈축 노즐이 일체로 구비된 일체형 레이저 가공 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 하기와 같은 실시예를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 레이저를 출력하여 가공 대상물을 가공하는 레이저 헤드와, 레이저 헤드의 외면에 고정되어 보조 가스를 토출하는 동축 노즐부와, 레이저 헤드의 외면에서 회전 가능하게 고정된 회전체에 경사지도록 고정되어 보조 가스를 토출하는 탈축 노즐부와, 레이저가 조사되는 가공 대상물의 온도를 감지하는 감지부 및 감지부의 감지 온도와 가공 대상물의 두께에 따라 동축 노즐부와 탈축 노즐부를 선택적으로 제어하는 제어부를 포함하고, 동축 노즐부는 레이저 헤드의 외면에 체결되어 보조 가스를 토출하는 제1 동축 노즐과, 레이저 헤드의 직립된 헤드본체 외면에 고정되어 제1 동축 노즐의 외측에 위치되도록 설치되는 지지블럭과, 지지블럭의 외면에서 고정되어 보조 가스를 토출하는 제2 동축 노즐과, 직립된 레이저 헤드의 내면에서 연장되어 제1동축 노즐로 보조 가스를 공급하는 제1 가스 유로와 제2 동축 노즐로 보조 가스를 공급하는 제2 가스 유로를 구비하고, 지지블럭은 제2 가스 유로에 연결되고, 내측에서 수평으로 연장되어 제2 동축 노즐로 보조 가스를 전달하는 안내 유로를 포함하고, 제1 동축 노즐은 레이저 헤드의 외면에서 고정되되, 상광하협의 형상으로 이루어진 제1 동축 캡의 내면에서 나선형으로 연장되어 상호 이격된 복수의 안내홈과, 안내홈 사이의 내향된 유로홈과, 안내홈에서 단을 이루어 돌출되는 안내 돌출홈을 포함하고, 제2 동축 노즐은 제2 동축 캡은 상면이 개방되고, 하측으로 갈수록 폭이 좁아지는 상광하협의 형상을 갖는 제2 동축 캡과, 제2 동축 캡의 직립된 벽면 내측에서 수평으로 연장 형성되어 제2 가스 유로를 통해 공급된 보조 가스를 제2 동축 캡 내부로 순환 및 공급하는 수평 유로홈과, 빗살홈은 제2 동축 캡의 내측 단에서 수평 유로홈과 연통 및 제2 동축 캡의 외면으로 하향 연장됨에 따라 수평 유로홈을 통해 공급되는 보조 가스를 외부로 토출시키는 복수의 빗살홈을 포함하는 동축 노즐과 탈축 노즐이 일체로 구비된 일체형 레이저 가공 장치를 제공할 수 있다.
위 실시예에서, 탈축 노즐부는 상부는 직립된 원통형 또는 사각형이되 하부는 상광하협의 형상으로서 폭이 점차 좁아지도록 형성되며, 하부에 보조 가스가 토출되는 토출구가 형성되어 회전체에 경사지도록 고정되는 토출 하우징과, 토출 하우징의 하부에서 회전되는 회전날개 및 탈축모터는 제어부의 제어에 의하여 회전되여 토출 하우징 내에서 회전 가능하게 설치된 회전날개를 회전시키는 탈축모터를 포함하고, 회전날개는 탈축모터의 회전력에 의해 회전되는 회전축에 의해 회전되고, 회전축은 내측이 중공되어 보조 가스를 안내하는 유로가 형성되고, 관통되오 보조 가스를 토출 하우징 하부로 토출하는 복수의 토출공을 포함할 수 있다.
본 발명은 다른 실시예로서 위 실시예들의 동축 노즐과 탈축 노즐이 일체로 구비된 일체형 레이저 가공 장치의 제어 방법에 있어서, a)제어부가 레이저 헤드를 제어하여 레이저를 출력하고, 제1 동축 노즐 및 제2 동축 노즐에서 보조 가스를 출력하는 단계와, b)제어부가 가공 대상물의 온도를 감지하여 설정온도와, 감지 온도를 비교하는 단계와, c)감지된 온도가 설정된 제1온도(제1온도<제2온도)를 초과하면, 제1 동축 노즐과 제2 동축 노즐의 작동을 중지하고, 탈축 노즐부를 구동시켜 보조 가스를 토출시키는 단계와, d)감지된 온도가 설정된 제2온도(제2온도>제1온도)를 초과하면, 탈축 노즐부에서 보조 가스를 토출시키는 토출 하우징의 내측에서 회전되는 회전날개의 회전수를 증가시키는 단계 및 e)회전날개의 회전수 증가 이후 감지된 온도가 설정된 제1온도 이하이면, 탈축 노즐부의 작동을 정지하고, 제1 동축 노즐과 제2 동축 노즐을 작동시키거나, 제2온도로 유지되는 시간이 설정된 시간을 초과하면 레이저 헤드의 작동을 정지하고, 제1 동축 노즐 및 제2 동축 노즐을 작동 시키는 단계를 포함하는 동축 노즐과 탈축 노즐이 일체로 구비된 일체형 레이저 가공 장치의 제어 방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 동축 노즐과 탈축 노즐을 일체로 구비하고, 가공 대상물의 가공 중 온도와 두께 및 재질에 따라 동축 노즐과 탈축 노즐을 선택적으로 제어하여 레이저 가공 중에 발생되는 슬래그 방지 및 범용적으로 사용 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 동축 노즐과 탈축 노즐이 일체로 구비된 일체형 레이저 가공 장치를 도시한 블럭도이다.
도 2는 레이저 헤드를 도시한 단면도이다.
도 3은 제1 동축 노즐을 도시한 사시도이다.
도 4는 제1 동축 노즐의 평면도이다.
도 5는 제2 동축 노즐을 도시한 사시도이다.
도 6은 탈축 노즐부를 간략 도시한 도면이다
도 7은 탈축 노즐을 간략 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 동축 노즐과 탈축 노즐이 일체로 구비된 일체형 레이저 가공 장치의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
본 발명의 실시 예에서, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 발명의 실시 예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시 예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 동축 노즐과 탈축 노즐이 일체로 구비된 일체형 레이저 가공 장치를 도시한 블럭도, 도 2는 레이저 헤드를 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명은 제어부(10)와, 레이저 헤드 구동부(20)와, 레이저 헤드(100)와, 동축 노즐 구동부(30)와, 동축 노즐부(200)와, 탈축 노즐 구동부(40)와 탈축 노즐부(300) 및 감지부(50)를 포함할 수 있다.
제어부(10)는 각 구성에 별개로 설치되거나 통합된 제어 명령을 출력할 수 있도록 설치될 수 있고, 가공 대상물의 가공 작업을 위한 프로그램 및 연산 알고리즘이 저장되는 메모리가 구비될 수 있다.
특히, 제어부(10)는 감지부(50)의 감지 결과(예를 들면, 가공 대상물의 레이저 광의 가공 영역 및 주변 온도) 및 가공물 대상의 특성(예를 들면, 재질 및 두께)에 따라 탈축 노즐부(300) 및 동축 노즐부(200)를 선택적으로 제어할 수 있다. 또한, 제어부(10)는 가공 대상물의 가공 영역(가공 라인)의 설계도에 따라서 탈축 노즐부(300)의 위치를 제어할 수 있다. 구체적인 설명은 후술한다.
레이저 헤드 구동부(20)는 제어부(10)의 제어에 의헤 레이저 헤드(100)를 가동시킨다. 즉, 레이저 헤드 구동부(20)는 레이저 광원에 전원을 공급한다.
레이저 헤드(100)는 가공 대상물의 타겟 영역(T1)에 레이저를 출력하여 절단한다. 여기서 레이저 헤드(100)는 일반적으로 공지된 구성을 적용함에 따라 그 설명을 생략한다.
동축 노즐 구동부(30)는 레이저 헤드(100)와 일체형으로 결합되는 동축 노즐부(200)에 보조 가스를 공급한다. 예를 들면, 동축 노즐 구동부(30)는 보조 가스 공급 탱크로서 동축 노즐부(200)에 보조 가스를 공급한다. 여기서 동축 노즐 구동부(30)에서 공급되는 보조 가스는 1 또는 2 이상의 배관을 통해 공급될 수 있다.
동축 노즐부(200)는 제1 동축 노즐(210)과, 제2 동축 노즐(220)을 포함할 수 있다.
제1 동축 노즐(210)은 레이저 헤드(100)의 외면에 탈착 가능하게 고정되어 동축 노즐 구동부(30)에서 공급된 보조 가스를 레이저가 조사되는 타겟 영역(T1)에 집중적으로 보조 가스를 토출시킨다. 이와 같은 제1 동축 노즐(210)의 구성은 도 3 및 도 4를 참조하여 후술한다.
제2 동축 노즐(220)은 레이저가 출력되는 타겟 영역외의 영역으로 넓게 확산되도록 보조 가스를 토출하여 타겟영역 주변 및/또는 가공 대상물의 먼지 등 이물질을 제거하는 역할을 수행한다. 이와 같은 제2 동축 노즐(220)의 상세 설명은 도 5를 참조하여 설명한다.
감지부(50)는 가공 대상물의 표면 온도, 주변 습도, 탈축 노즐(330)의 위치와, 가공 대상물의 타켓 영역(T1)을 감시한다. 이를위하여 감지부(50)는 온도센서, 위치감지 센서, 영상 카메라 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
아울러, 본 발명은 영상 카메라(도시되지 않음)에서 촬영된 영상을 출력하는 디스플레이(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다.
예를 들면, 감지부(50)는 가공 대상물의 레이저가 조사되는 타겟 영역(T1)의 표면온도를 감지하는 온도센서와, 탈축 노즐(330)의 지향각을 감지하는 레이저 센서와, 탈축 노즐(330) 회전 각도 및 위치를 감지하기 위한 위치 감지 센서, 타겟 지점의 영상을 확보하기 위한 영상 카메라 중 적어도 하나 이상을 감지할 수 있다.
탈축 노즐 구동부(40)는 탈축 노즐부(300)에 공급되는 보조 가스의 압력을 조절하여 보조 가스를 공급한다. 예를 들면, 탈축 노즐 구동부(40)는 예를 들면, 밸브 또는 압력조정기를 구비하여 제어부(10)의 제어에 의하여 탈축 노즐(330) 공급부로부터 공급되는 보조 가스의 압력을 조절하여 탈축 노즐부(300)에 공급한다.
탈축 노즐부(300)는 구동모터(310)와, 구동모터(310)의 회전력에 의해 레이저 헤드(100)를 중심으로 수평방향으로 회전되는 회전체(320)와, 회전체(320)에 고정되는 탈축 노즐(330)을 포함할 수 있다.
구동모터(310)는 제어부(10)의 제어에 의하여 작동되어 회전체(320)를 지정된 위치로 회전시킨다. 여기서 구동모터(310)는 하나의 예로서, 실린더로서 대체 가능하다.
회전체(320)는 레이저 헤드(100)의 외면에 회전 가능하도록 설치되어 구동모터(310)의 작동에 의해 회전된다. 여기서 회전체(320)는 탈축 노즐부(300)를 지지한다.
탈축 노즐부(300)는 회전체(320)에서 경사진 각도를 지향하도록 고정되어 회전체(320)의 회전에 따라 회전된다. 여기서 탈축 노즐부(300)는 가공 대상물의 타겟 영역으로 경사진 방향으로 보조 가스를 노출한다.
이때, 탈축 노즐부(300)는 제어부(10)의 제어에 의해 가공 대상물의 특성 및 감지부(50)의 감지 결과에 따라 선택적으로 작동될 수 있다. 이와 같은 탈축 노즐부(300)의 상세 설명은 도 6과 도 7을 참조하여 후술한다.
도 2는 레이저 헤드(100)와 탈축 노즐부(300) 및 동축 노즐부(200)가 결합된 구성을 간략 도시한 단면도, 도 3과 도 4는 제1 동축 노즐(210)을 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 레이저 헤드(100)는 직립된 헤드본체에서 제1 동축 노즐(210)로 보조 가스를 안내하는 제1 가스 유로(101)와, 제2 동축 노즐(220)에서 보조 가스를 안내하는 제2 가스 유로(102)와, 레이저를 출력하는 레이저 출력구(103)와, 제2 동축 노즐(220)을 지지하는 지지블럭(105)을 포함할 수 있다.
제1 가스 유로(101)는 헤드 본체(104)의 내면에서 연장되어 제1 동축 노즐(210)의 상측으로 연장형성된다.
제2 가스 유로(102)는 헤드 본체(104)의 외면에서 연장되는 파이프로서 지지블럭(105)의 내측으로 연장된다.
레이저 출력구(103)는 레이저 헤드 구동부(20)에서 출력된 전원으로 내측의 레이저 광원에서 발광된 레이저를 출력한다. 이때 레이저는 가공 대상물의 타겟 영역(T1)으로 조사되어 가공 대상물을 절단 가공한다. 이와 같은 레이저 헤드(100)의 동작 및 작용은 공지된 바를 적용함에 따라 그 설명을 생략한다.
지지블럭(105)은 헤드 본체의 외면을 둘러쌓은 형태로 고정되며, 내측에서 연장되어 제2 가스 유로(102)를 통해 공급되는 가스를 안내하는 안내 유로(105a)를 포함할 수 있다.
안내 유로(105a)는 지지블럭(105) 내에서 연장되며, 지지블럭(105)의 외측에 고정되는 제2 동축 노즐(220)로 연장되어 보조 가스를 안내할 수 있다.
여기서 지지블럭(105)은 볼트나 나사 결합식으로 헤드 본체(104) 외면에 고정되고, 제2 동축 노즐(220)은 지지블럭(105)의 외면에 볼트나 나사 결합식으로 고정되며, 이는 일반적으로 공지된 기술을 이용함에 따라 상술한 방식 외에도 다양한 결합방식이 적용 가능하다.
동축 노즐부(200)의 제1 동축 노즐(210)은 레이저 헤드(100)를 중심을 외면에서 고정되어 제1 가스 유로(101)를 통해 공급된 보조 가스를 토출한다. 이때, 제1 동축 노즐(210)에서 토출된 보조 가스는 외부로 확산되지 않고, 타겟 영역(T1)으로 집중될 수 있도록 방향성을 부여 받는다.
즉, 본 발명에서 제1 동축 노즐(210)은 레이저 촛점을 중심으로 예를 들면, 1~2000mm의 영역으로 보조 가스를 토출한다.
공지된 바에 따르면, 슬러그는 보조 가스의 압력이 높고, 경사진 방향으로 입사되었을 때 박리유동과 같은 현상을 방지할 수 있어 슬러그의 제거 효율이 높다는 연구결과에 따른 것이다.
이를 위해 본 발명의 제1 동축 노즐(210)은 보조 가스를 타겟 영역으로 집중하여 토출할 수 있도록 상측에서 하측으로 갈수록 폭이 좁은 형상을 갖는다.
구체적으로 제1 동축 노즐(210)은 상광하협(上廣下狹)의 형상을 갖는 제1 동축 캡(212)과, 제1 동축 캡(212)의 내면에서 나선형으로 돌출 및 연장되는 복수의 안내홈(211))과, 안내홈(211) 사이의 유로홈(213)과, 가스 토출구(214)와, 안내홈(211)에서 돌출되는 안내 돌출홈(211a)을 포함한다.
제1 동축 캡(212)은 상면이 개방되는 상광하협(上廣下狹)의 형상으로서 상측에서 하측으로 갈수록 그 폭이 감소하고, 상면이 개방되어 레이저 헤드(100)의 외면에 고정된다. 여기서 제1 동축 캡(212)은 레이저 헤드(100)의 외면에 탈부착 가능하게 구성되거나 일체형으로 고정될 수 있다.
복수의 안내홈(211)은 제1 동축 캡(212)(112a)의 내면에서 복수가 상호 이격되어 돌출된다. 이때 안내홈(211)은 제1 동축 캡(212)(112a)의 내면에서 돌출되어 나선형으로 연장되어 가스 토출구까지 연장된다.
유로홈(213)은 안내홈(211)들 사이의 내향된 공간으로 형성되어 나선형으로 가스 토출구까지 연장된다.
안내 돌출홈(211a)은 안내홈(211)에서 돌출디어 안내홈(211) 사이의 공간을 구획한다. 여기서 안내홈(211) 및 안내 돌출홈(211a)은 나선형으로 경사지도록 연장되어 유입된 보조 가스에 방향성을 부여한다.
특히 안내 돌출홈(211a)은 안내홈(211)에서 단을 이루며 돌출됨에 따라 안내홈(211) 사이의 폭 보다 넓은 영역의 폭을 구획한다. 이와 같이 폭의 차이를 갖는 공간의 추가 구획은 보조 가스의 압력을 높일 수 있고, 방향성을 보다 명확하게 부여할 수 있다.
따라서 보조 가스는 제1 동축 노즐(210)에서 나선형으로 연장되는 안내홈(211)과 안내 돌출홈(211a) 및 유로홈(213)을 통하여 토출됨에 따라 방향성을 갖는다.
방향성이 부여된 보조 가스는 타겟 영역으로 토출될 시에 보다 좁은 면적으로 집중하여 토출할 수 있다.
가스 토출구(214)는 제1 동축 캡(212)의 하부에 관통 형성되며, 방향성이 부여된 보조 가스를 타겟 영역으로 토출한다. 이때 가스 토출구(214)는 제1 동축 캡(212)의 개방된 상부에 비하여 좁게(예를 들면, 1~2000mm) 형성될 수 있다.
따라서 보조 가스는 토출 압력이 높아지게 되어 타겟 영역(T1)의 냉각 효과를 높이고, 가공 대상물의 절단면으로 유입되는 보조 가스의 풍속이 높아 짐에 따라 레이저 가공중 발생된 용융물을 쉽게 제거할 수 있을 것이다.
즉, 종래에는 보조 가스를 보다 넓은 면적으로 토출시키도록 제안되었으나, 본 발명에서는 보다 좁은 면적으로 집중시키는 것을 특징으로 하며, 이는 보조 가스의 압력이 높을 수록 슬러그의 제거 효과가 높기 때문이다.
제2 동축 노즐(220)은 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 제2 동축 노즐을 도시한 사시도이다.
도 5를 참조하면, 제2 동축 노즐(220)은 제2 동축 캡(221)과, 수평 유로홈(213)과, 중공구(222)와, 빗살홈(224)을 포함할 수 있다.
제2 동축 캡(221)은 상면이 개방되고, 하측으로 갈수록 폭이 좁아지는 상광하협의 형상을 갖는다. 여기서 제2 동축 캡(221)의 내면은 직립벽(221a)의 하단에서 단을 이루어 빗살홈(224)의 상단(221b)을 이루고, 하향 연장되되 내측으로 경사지는 몸체(221c)로 구성될 수 있다. 여기서 직립벽(221a)은 지지블럭(105)의 외면에 밀착된다.
아울러 제2 동축 캡(221)은 지지블럭(105)과 나사 결합 방식 또는 볼트와 같은 고정 치구를 통하여 지지블럭(105)에 고정될 수 있다.
수평 유로홈(213)은 제2 동축 캡(221)의 직립벽(221a) 내측에서 수평으로 연장 형성된다. 수평 유로홈(213)은 제2 가스 유로(102)를 통해 공급된 보조 가스를 제2 동축 캡(221) 내부로 순환 및/또는 공급하는 역할을 수행한다. 이를 위하여 수평 유로홈(223)의 바닥면은 상단(221b) 보다 낮은 위치에 형성됨이 바람직하다.
빗살홈(224)은 제2 동축 캡(221)의 내측 단에서 하향 연장되는 복수로 형성되며, 수평유로홈(213)과 연통된다. 빗살홈(224)은 제2 동축 캡(221)의 외면에서 개방된 형상으로 연장됨에 따라 수평 유로홈(213)을 통해 공급되는 보조 가스를 외부로 토출시킨다.
이때, 빗살홈(224)은 나선형으로 연장되거나 수직으로 연장 형성되어 보조 가스를 한 지점에 집중하는 것이 아닌 주변으로 확산하는 것이 특징이다.
이와 같이 구성된 제2 동축 노즐(220)은 가공 대상물의 표면에 보조 가스를 확산시켜 표면에 존재하는 이물질을 제거한다.
즉, 제1 동축 노즐(210)은 레이저가 조사되는 타겟 영역(T1)에 집중하여 보조 가스를 토출하고, 제2 동축 노즐(220)은 제1 동축 노즐(210)의 보조 가스와 간섭을 일으키지 않으며 이물질을 제거하기 위하여 타겟 영역을 제외한 넓은 영역으로 보조 가스를 확산시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 제1 동축 노즐(210) 및 제2 동축 노즐(220) 외에 레이저 헤드(100)의 외면에서 회전 가능하게 고정되어 타겟 영역으로 경사진 방향에서 보조 가스를 토출시킬 수 있는 탈축 노즐부(300)를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 탈축 노즐부(300)는 도 6 및 도 7을 참조하여 설명한다.
도 6은 탈축 노즐부가 구비된 레이저 헤드를 도시한 단면도, 도 7은 탈축 노즐을 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 탈축 노즐부(300)는 회전체(320)와, 구동모터(310)와, 탈축 노즐(330)을 포함한다.
구동모터(310)는 탈축 노즐 구동부(40) 또는 제어부(10)의 제어에 의해 작동되어 회전체(320)를 회전시킨다.
회전체(320)는 레이저 헤드(100)의 헤드본체(113) 외면에서 회전가능하게 고정되어 구동모터(310)에 의한 회전력으로 회전된다. 여기서 회전체(320)는 탈축 노즐(330)을 고정시킨다.
또한, 회전체(320)는, 예를 들면, 레이저 출력부(110)의 직립된 몸체의 외면에서 회전 가능하게 설치되어 측방향으로 연장되는 장치로서 한쪽 끝단에 탈축 노즐(330)이 레이저 헤드(100)의 레이저 타겟영역을 향해 경사지도록 고정시킨다.
회전체(320)는 제어부(10)의 제어 또는 스위치의 온, 센서의 감지 신호에 따라 작동되면서 레이저 출력부(110)의 몸체에서 좌우 방향으로 수평 회전되되, 레이저 헤드(100)의 직하방에 위치한 타겟 영역과 일치되는 방향을 지향한다.
탈축 노즐(330)은 토출 하우징(331)과, 탈축모터(334)(M)와, 회전날개(332)를 포함한다.
토출하우징은 탈축모터(334)와 회전날개(332)를 수용하는 공간을 형성한다. 여기서 토출 하우징(331)은 도 6에서 일예로 도시한 바와 같이 상부는 직립된 원통형 또는 사각형이되 하부는 상광하협의 형상으로서 폭이 점차 좁아지도록 형성되며, 하부에 보조 가스가 토출되는 토출구(331a)가 형성된다.
이때, 토출 하우징(331)은 회전체(320)를 경사지게 연통하는 형상으로 고정되어 회전체(320)와 동시에 회전된다.
여기서 토출 하우징(331)은 후술하는 회전날개(332)의 회전축(333)을 통하여 외부의 탈축 노즐(330) 공급부에 연결되는 유로가 형성되거나 탈축 노즐(330) 공급부에 연결된 별도의 파이프나 배관이 연결될 수 있다.
탈축모터(334)는 탈축 노즐 구동부(40) 또는 제어부(10)의 제어에 의하여 회전되여 토출 하우징(331) 내에서 회전 가능하게 설치된 회전날개(332)를 회전시킨다. 여기서 탈축모터(334)는 제어부(10)의 제어에 의해 회전수의 조절이 가능하다. 예를 들면, 탈축모터(334)는 제어부(10)의 제어에 의해 제1 회전수에서 제2 회전수(제1회전수<제2회전수), 제2회전수에서 제1회전수로 전환이 가능하다.
회전날개(332)는 토출 하우징(331)의 하부, 즉 폭이 점점 줄어드는 하부에서 회전 가능하게 고정되어 토출 하우징(331) 내로 공급된 보조 가스에 방향성을 부여한다.
여기서 회전날개(332)의 상측에서 직립된 회전축(333)은 탈축모터(334)에 연결되되, 외면에서 정렬되는 복수의 토출공(333a)을 포함할 수 있다. 회전축(333)은 탈축모터(334)의 회전력을 회전날개(332)로 전달함과 동시에 내측이 중공된 파이프로서 탈축 노즐(330) 공급부에서 공급된 가스를 안내하는 역할도 수행한다.
즉, 회전축(333)은 탈축 노즐(330) 공급부에서 공급된 보조 가스를 안내하도록 내측이 중공된 파이프로 형성되며, 내측으로 공급된 보조 가스를 토출시킬 수 있도록 복수의 토출공(333a)이 형성된 것이다.
회전날개(332)는 탈축모터(334)의 작동에 의해 회전되어 회전축(333)의 토출공(333a)을 통해 토출된 보조 가스에 방향성을 부여한다. 이를 위하여 회전날개(332)는 상광하협의 형상이되되, 외면에 나사산 처럼 나선형으로 연장되는 나사형 날개로 이루어진다.
이와 같은 탈축 노즐(330)은 가공 대상물의 두께나 레이저 가공 작업 중의 가공 대상물의 온도에 따라 선택적으로 가동된다.
예를 들면, 가공 대상물의 두께가 설정된 값 이상이면, 제어부(10)는 탈축 노즐부(300)를 작동시켜 레이저가 조사되는 타겟 영역으로 경사지도록 보조 가스를 토출한다.
또는 제어부(10)는 동축 노즐부(200)를 구동하여 가공 대상물에 보조 가스를 토출하고, 레이저를 출력하여 가공 작업 중 가공 대상물의 온도가 설정 온도 이상이면, 동축 노즐부(200)를 오프시킨 후 탈축 노즐부(300)를 작동시킨다.
앞서 설명한 바와 같이, 가공작업 중 발생되는 용융물에 의한 슬러그는 경사진 방향에서 입사되고, 고압 일수록 제거 효율이 높은 것으로 알려져 있다.
따라서 본 발명은 이와 같은 점을 이용하되, 가공 대상물의 두께나 작업 중 감지되는 가공 대상물의 온도에 따라 동축 노즐과 탈축 노즐(330)을 선택적으로 작동시키는 것이 특징이다.
즉, 제어부(10)는 감지부(50)를 통해 레이저 가공 작업 중 가공 대상물의 온도를 감지할 때 설정된 제1온도가 감지되면, 동축 노즐부(200)를 오프하고, 탈축 노즐부(300)를 작동시킨다. 또한, 제2 온도가 감지되면, 탈축 노즐부(300)의 토출 압과 풍속을 증가시키도록 할 수 있다.
예를 들면, 제어부(10)는 제1온도가 감지되면, 탈축모터(334) 및 회전 날개를 제1회전수로 회전시키되, 제2온도(제2온도>제1온도)가 감지되면, 탈축모터(334) 및 회전 날개를 제2회전수(제2회전수>제1회전수)로서 작동시켜 토출 하우징(331)으로 토출되는 보조 가스의 속도를 증가시켜 토출시킬 수 있다.
그러므로 본 발명은 보조 가스를 토출 압력과 방향성을 부여하여 기존보다 상향된 압력과 풍속을 갖는 보조 가스를 레이저에 의해 가공된 절단면에 공급함에 따라 유동박리와 같은 현상을 방지할 수 있어 가공된 절단면에 슬래그가 발생됨을 방지할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 구성을 포함하며, 이하에서는 동축 노즐과 탈축 노즐(330)이 일체로 구비된 일체형 레이저 가공 장치의 제어 방법을 첨부된 순서도를 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 동축 노즐과 탈축 노즐(330)이 일체로 구비된 일체형 레이저 가공 장치의 제어 방법은 레이저 출력 및 보조 가스를 토출하는 S100 단계와, 온도를 감지하는 S200 단계와, 감지 온도와 설정온도를 비교하는 S300 단계와, 감지 온도가 제1온도에 해당되면 동축 노즐을 오프하고 탈축 노즐(330)을 작동시키는 S400 단계와, 감지 온도가 제2온도에 해당되는 지를 감지하는 S500 단계와, 감지 온도가 제2온도에 해당되면 탈축 노즐(330)의 회전날개(332) 회전수를 증가시키는 S600 단계를 포함할 수 있다.
S100 단계는 제어부(10)의 제어에 의하여 레이저 헤드(100)에서 레이저가 출력되어 가공 대상물에 조사하고, 제1 동축 노즐(210)과 제2 동축 노즐(220)에서 보조 가스가 토출되는 단계이다. 여기서 제1 동축 노즐(210)은 내부의 유로홈(213)과 안내홈(211), 안내 돌출홈(211a)에 의해 방향성이 부여된 토출가스가 타겟 영역으로 집중되어 토출시킨다. 또한 제2 동축 노즐(220)은 빗살홈(224)을 통해 타겟 영역 주변으로 보조 가스를 확산시켜 가공 대상물의 표면에 잔류된 먼지등의 이물질을 제거한다.
S200 단계는 제어부(10)가 감지부(50)의 가공 대상물의 온도 감지신호를 수신하는 단계이다.
S300 단계는 제어부(10)가 감지부(50)의 온도 감지 신호를 통해 감지된 온도가 설정된 제1온도에 도달되었는 지를 감지하는 단계이다.
S400 단계는 제어부(10)가 감지된 온도가 설정된 제1온도와 동일 또는 그 이상이라면 동축 노즐부(200)를 오프하고, 탈축 노즐부(300)를 작동시키는 단계이다. 여기서 제어부(10)는 구동모터(310)를 작동시켜 탈축 노즐부(300)가 타겟 영역을 지향할 수 있는 위치로 회전시킨다. 따라서 탈축 노즐부(300)가 설정된 위치에 도달 되면, 보조 가스를 토출시키도록 탈축 노즐 구동부(40)를 제어한다.
따라서 탈축 노즐(330)은 회전축(333)의 토출공(333a)을 통해 보조 가스가 토출 하우징(331)의 하부로 보조 가스가 공급되고, 탈축모터(334)가 작동되면서 회전날개(332)가 회전되어 보조 가스에 방향성을 부여하여 토출구(331a)로 보조 가스를 토출시킨다.
여기서 토출 하우징(331)의 하부는 상광하협의 형상으로서 보다 폭이 좁아지는 형상이고, 내측에서 회전되는 회전날개(332) 역시 상광하협의 형상으로서 보조 가스 역시 한지점에 집중하는 형상으로 토출된다.
이때 탈축 노즐(330)의 보조 가스 토출 압력 또는 탈축 노즐 구동부(40)에서 공급되는 보조 가스의 토출압은 동축 노즐 구동부(30)에서 동축 노즐로 공급되는 보조 가스에 비하여 높게 설정되었다.
S500 단계는 제어부(10)가 감지부(50)의 감지 온도가 설정된 제2온도이거나 그 이상으로 온도가 상승됨을 감지하는 단계이다.
S600 단계는 제어부(10)가 감지부(50)의 감지 온도가 설정된 제2온도 또는 그 이상이면, 탈축모터(334)를 제2회전수(예를 들면, 분당 회전수, 제2회전수>제1회전수)로 회전시키는 단계이다. 제어부(10)는 감지온도가 제2온도에 해당되면, 제1회전수(<제2회전수)로 구동하는 탈축모터(334)를 제1회전수 보다 증가된 제2회전수로 작동시킨다.
따라서 탈축 노즐(330)에서 토출되는 보조 가스는 회전날개(332)의 회전속도가 증가됨에 따라 제1 동축 노즐(210) 및 이전 단계의 탈축 노즐(330)에서 공급되는 보조 가스보다 풍속이 증가된 보조 가스를 토출시킨다.
이후, 제어부(10)는 설정된 시간 동안 제2회전수로 탈축 노즐(330)을 제어하되, 해당 시간이 경과되어도 감지 온도가 제2 온도 이하로 떨어지지 않고 유지될 경우에는 레이저 헤드(100)를 정지시킨 후 제1 동축 노즐(210)과 제2 동축 노즐(220)을 탈축 노즐(330)과 동시에 작동시켜 가공 대상물의 과열 온도를 떨어뜨리는 과정을 거칠 수 있다.
또는, 제어부(10)는 설정 시간 이내에서 온도가 제1온도 이하로 떨어지면, 탈축 노즐(330)을 오프시키고, 제1 및 제2 동축 노즐(220)을 재작동시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명은 제1 동축 노즐(210)을 한 지점에 집중하여 보조 가스를 토출하도록 구성하고, 제2 동축 노즐(220)은 외측으로 확산하도록 보조 가스를 토출하여 타겟 영역 주변의 온도 조절과, 이물질을 동시에 제거할 수 있다.
또한, 탈축 노즐(330)을 일체로 구비함에 따라 가공 대상물의 가공 중 발생되는 과열 상태 또는 가공 대상물의 절단면의 두께에 따라 선택적으로 작동시킬 수 있다.
즉, 본 발명은 가공 대상물의 종류에 상관없이 범용적으로 가공 작업이 가능하고, 가공 중 발생되는 슬러그를 방지할 수 있어 품질 향상을 도모할 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다.
그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 제어부 20 : 레이저 헤드 구동부
30 : 동축 노즐 구동부 40 : 탈축 노즐 구동부
50 : 감지부 100 : 레이저 헤드
101 : 제1 가스 유로 102 : 제2 가스 유로
105 : 지지블럭 105a : 안내 유로
200 : 동축 노즐부 210 : 제1 동축 노즐
211 : 안내홈 211a : 안내 돌출홈
212 : 제1 동축 캡 213 : 유로홈
214 : 가스 토출구 220 : 제2 동축 노즐
310 : 구동모터 320 : 회전체
330 : 탈축 노즐

Claims (3)

  1. 레이저를 출력하여 가공 대상물을 가공하는 레이저 헤드(100);
    레이저 헤드(100)의 외면에 고정되어 보조 가스를 토출하는 동축 노즐부(200);
    레이저 헤드(100)의 외면에서 회전 가능하게 고정된 회전체(320)에 경사지도록 고정되어 보조 가스를 토출하는 탈축 노즐부(300);
    레이저가 조사되는 가공 대상물의 온도를 감지하는 감지부(50); 및
    감지부(50)의 감지 온도와 가공 대상물의 두께에 따라 동축 노즐부(200)와 탈축 노즐부(300)를 선택적으로 제어하는 제어부(10); 를 포함하고,
    동축 노즐부(200)는
    레이저 헤드(100)의 외면에 체결되어 보조 가스를 토출하는 제1 동축 노즐(210)과, 레이저 헤드(100)의 직립된 헤드본체 외면에 고정되어 제1 동축 노즐(210)의 외측에 위치되도록 설치되는 지지블럭(105)과, 지지블럭(105)의 외면에서 고정되어 보조 가스를 토출하는 제2 동축 노즐(220)과, 직립된 레이저 헤드(100)의 내면에서 연장되어 제1 동축 노즐(210)로 보조 가스를 공급하는 제1 가스 유로(101)와 제2 동축 노즐(220)로 보조 가스를 공급하는 제2 가스 유로(102)를 구비하고,
    지지블럭(105)은
    제2 가스 유로(102)에 연결되고, 내측에서 수평으로 연장되어 제2 동축 노즐(220)로 보조 가스를 전달하는 안내 유로(105a)를 포함하고,
    제1 동축 노즐(210)은
    레이저 헤드(100)의 외면에서 고정되되, 상광하협의 형상으로 이루어진 제1 동축 캡(212)의 내면에서 나선형으로 연장되어 상호 이격된 복수의 안내홈(211)과, 안내홈(211) 사이의 내향된 유로홈(213)과, 안내홈(211)에서 단을 이루어 돌출되는 안내 돌출홈(211a); 을 포함하고,
    제2 동축 노즐은
    상면이 개방되고, 하측으로 갈수록 폭이 좁아지는 상광하협의 형상을 갖는 제2 동축 캡(221)과, 제2 동축 캡(221)의 직립된 벽면 내측에서 수평으로 연장 형성되어 제2 가스 유로(102)를 통해 공급된 보조 가스를 제2 동축 캡(221) 내부로 순환 및 공급하는 수평 유로홈(213)과, 제2 동축 캡(221)의 내측에서 수평 유로홈(213)과 연통 및 제2 동축 캡(221)의 몸체 외면으로 하향 연장됨에 따라 수평 유로홈(213)을 통해 공급되는 보조 가스를 외부로 토출시키는 복수의 빗살홈(224); 을 포함하는 동축 노즐과 탈축 노즐이 일체로 구비된 일체형 레이저 가공 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 탈축 노즐부(300)는
    상부는 직립된 원통형 또는 사각형이되 하부는 상광하협의 형상으로서 폭이 점차 좁아지도록 형성되며, 하부에 보조 가스가 토출되는 토출구(331a)가 형성되어 회전체(320)에 경사지도록 고정되는 토출 하우징(331);
    토출 하우징(331)의 하부에서 회전되는 회전날개(332); 및
    탈축모터(334)는 제어부(10)의 제어에 의하여 회전되여 토출 하우징(331) 내에서 회전 가능하게 설치된 회전날개(332)를 회전시키는 탈축모터(334); 를 포함하고,
    회전날개(332)는
    탈축모터(334)의 회전력에 의해 회전되는 회전축(333)에 의해 회전되고,
    회전축(333)은
    내측이 중공되어 보조 가스를 안내하는 유로가 형성되고, 관통되오 보조 가스를 토출 하우징(331) 하부로 토출하는 복수의 토출공(333a)을 포함하는 동축 노즐과 탈축 노즐이 일체로 구비된 일체형 레이저 가공 장치.
  3. 청구항 1의 동축 노즐과 탈축 노즐(330)이 일체로 구비된 일체형 레이저 가공 장치의 제어 방법에 있어서,
    a)제어부(10)가 레이저 헤드(100)를 제어하여 레이저를 출력하고, 제1 동축 노즐(210) 및 제2 동축 노즐(220)에서 보조 가스를 출력하는 단계;
    b)제어부(10)가 가공 대상물의 온도를 감지하여 설정온도와, 감지 온도를 비교하는 단계;
    c)감지된 온도가 설정된 제1온도(제1온도<제2온도)를 초과하면, 제1 동축 노즐(210)과 제2 동축 노즐의 작동을 중지하고, 탈축 노즐부(300)를 구동시켜 보조 가스를 토출시키는 단계;
    d)감지된 온도가 설정된 제2온도(제2온도>제1온도)를 초과하면, 탈축 노즐부(300)에서 보조 가스를 토출시키는 토출 하우징(331)의 내측에서 회전되는 회전날개(332)의 회전수를 증가시키는 단계; 및
    e)회전날개(332)의 회전수 증가 이후 감지된 온도가 설정된 제1온도 이하이면, 탈축 노즐부(300)의 작동을 정지하고, 제1 동축 노즐(210)과 제2 동축 노즐(220)을 작동시키거나, 제2온도로 유지되는 시간이 설정된 시간을 초과하면 레이저 헤드(100)의 작동을 정지하고, 제1 동축 노즐(210) 및 제2 동축 노즐(220)을 작동 시키는 단계; 를 포함하는 동축 노즐과 탈축 노즐이 일체로 구비된 일체형 레이저 가공 장치의 제어 방법.
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